Próby napięciowe kabli elektroenergetycznych SN a diagnostyka bezinwazyjna z pomiarem wyładowań niezupełnych (WNZ)

Wyniki badań diagnostycznych charakteryzują się nieporównywalnie większą rozdzielczością pomiaru, co wskazuje, jak potężnym narzędziem jest diagnostyka kabli oparta na pomiarze wyładowań niezupełnych. Przedstawione w artykule wyniki dotyczą pomiarów wykonanych na kablach polskiej produkcji.

Próby napięciowe izolacji kabli – unifikacja prób dla wszystkich typów kabli SN

Czasy, w których badano kable SN pod kątem ich dalszej eksploatacji za pomocą jednej próby napięciem stałym, w przypadku kabli z izolacją z tworzyw sztucznych ze względu na kontrowersyjną ocenę tej próby ostatecznie odchodzą w przeszłość. Różne są przyczyny, które doprowadziły do takiego stanu – najczęściej wskazuje się na zły wpływ spolaryzowanego w czasie napięcia i doprowadzenie tym samym do trwałych i postępujących osłabień izolacji w systemie izolacyjnym. Z powodu lokalnych zmian stałej dielektrycznej, zakłócenia te prowadzą do lokalnych przyrostów natężenia pola, które przy odpowiednim obciążeniu systemu izolacyjnego powodują powstawanie kanałów prowadzących do przebicia.

Przy długotrwałym narażeniu na działanie napięcia przemiennego, w miejscach osłabień lub wad technologicznych powstaje – tak jak w przypadku drzewienia wodnego – problem tworzenia się ładunków przestrzennych, przy czym poprzez nakładanie się z innymi napięciami (probierczymi) mogą tworzyć się kanały przebić. Dlatego też powstała konieczność stosowania na kablowej sieci dystrybucyjnej takich metod prób, które nie powodują wstępnego uszkodzenia kabla i są dla kabla, o ile to możliwe, „przyjazne”.

Wprawdzie nadal toczą się dyskusje co do stosowania prób napięciem stałym do badania kabli z izolacją z tworzywa sztucznego, a krajowe normatywy i wytyczne dalej na to zezwalają, jednak wiele przemawia przeciw ich stosowaniu. W praktyce wykrystalizowało się kilka metod badań, które są całkowicie wystarczające dla dzisiejszych wymogów probierczych i badawczych. Niektóre nowe metody badań zostały dopiero teraz wprowadzone odnośnymi przepisami VDE, IEC czy PN-HD, które nareszcie umożliwiają praktykom jasne i nieomylne metody badań kabli. Bez wsparcia tym uregulowaniem, które powinno odpowiadać obecnemu stanowi techniki, nie można jednoznacznie odpowiedzieć na pytania i problemy, które stwarzają pole dla niepewności prawnej.

Badania według przepisów narodowych, np. VDE

Badanie urządzeń kablowych służy przede wszystkim ustaleniu stanu izolacji żył, lub tak jak np. w Niemczech, wymaganemu przez VBG 4 „badaniu gotowości do włączenia” po montażu kabla. Z drugiej strony, w praktyce coraz częściej podejmowane są badania płaszczy kabli w celu zapobieżenia wnikaniu wody w obręb ekranu. Woda w kablu o izolacji z tworzywa sztucznego jak dawniej prowadzi do występowania uszkodzeń.

Badanie izolacji żył

Norma narodowa dla badań kabli, VDE 0298 część 1., pochodzi z 1982 r. i ustala napięcia probiercze (tab. 1.). Już w niej pojawiają się pierwsze ostrzeżenia o możliwych uszkodzeniach poprzez badania napięciem stałym. Wskazanie na „znacznie zredukowane napięcie probiercze” zmusza użytkownika do odpowiedzialności i regulacji we własnym zakresie. W styczniu 1990 r. został przedstawiony projekt nowej normy VDE 0298 część 1. W projekcie tym przejęte zostały bez zmian zalecenia odnośnie badań kabli z dotychczasowej normy VDE 0298. Wypracowane w międzyczasie nowe metody badań potwierdziły swoją wartość i zostały wprowadzone w nowym projekcie normy VDE 0276-1001 część 1., który ukazał się w maju 1995 r. Nowe w tej normie VDE jest rozróżnienie pomiędzy kablami w izolacji PE i XLPE oraz przede wszystkim włączenie nowego badania prądem przemiennym za pomocą VLF 0,1 Hz. W tabeli 2. przedstawiono nowe możliwości badań.

Jako kryterium badania obowiązuje podany czas próby. Inne kryteria, jak na przykład wielkość współczynnika strat, nie mają w tych przepisach znaczenia. Próba ułożonych kabli służy w pierwszej linii zbadaniu gotowości do włączenia i eksploatacji urządzenia kablowego. Ocena żywotności kabla w izolacji PE czy XLPE jest możliwa metodami, które można przyporządkować diagnozie kabli.

Badanie płaszcza

Oprócz izolacji żył należy zbadać również izolację płaszcza. Tylko nienaruszony płaszcz zapobiega wnikaniu wilgoci w obręb ekranu i dlatego też jest niezbędny do tego, by urządzenie kablowe działało bez zakłóceń. W tabeli 5. zostały wyszczególnione wartości probiercze wymienione w normie VDE 0276, część 1001. Wymienione upływy zaleca kilka największych zakładów energetycznych w Unii Europejskiej, od lat sprawdziły się tam jako kryterium pomiaru (tab. 5.). Do badania używane jest napięcie stałe. Według wymienionej normy należy, o ile to możliwe, unikać prób impulsowych. W energetyce zawodowej w Polsce wykonuje się próby płaszcza kabli napięciem stałym o wartości 5 kV i czasie trwania 1 min, bez względu na typ izolacji. Jako zadowalający wynik próby przyjmuje się brak wystąpienia przebicia w ciągu trwania testu.

System probierczy VLF

Technika probiercza VLF 0,1 Hz, która została w 1995 r. wprowadzona do przepisów VDE 0276, część 1001, pozwala na przeprowadzanie badań kabli w izolacji papierowej i z tworzyw sztucznych. Tak jak w przypadku innych badań, także tu obowiązuje przede wszystkim badanie wytrzymałości napięciowej. Inne kryteria nie są wprowadzane. Częstotliwość probiercza VLF 0,1 Hz może mieć kształt sinusoidalny lub meandryczny, przy czym w tym ostatnim przypadku mówimy o przebiegu prostokątnym z sinusoidalnymi zmianami polaryzacji. Zmiana polaryzacji z jednej na drugą odpowiada czasem trwania normalnej częstotliwości pracy 50 Hz. Ta nowa metoda badania potwierdza, że niskie napięcie probiercze metody 50 Hz kombinowane jest z metodą wysokiej szybkości przyrostu niszczących izolację drzewień elektrycznych electrical trees. Na rysunku 1. przedstawiono kształt napięcia VLF 0,1 Hz, natomiast rysunek 2. przedstawia sinusoidalne zbocze podczas zmiany polaryzacji.

Jako napięcie probiercze przyjęło się w tej metodzie 3 U0 i czas próby 1 godzinę (XLPE). Przy wystąpieniu przebicia w kablu podczas badania, czas badania po naprawie znów musi wynosić 1 godzinę. Wytwarzanie częstotliwości probierczej VLF 0,1 Hz realizowane jest za pomocą wysokonapięciowego wyłącznika obrotowego z napędem silnikowym. Na rysunku 3. został przedstawiony schemat funkcjonalny. Ujemne napięcie probiercze jest następnie poprzez łącznik 1 doprowadzane do obiektu badanego. Równolegle do obiektu badanego umieszczony jest kondensator wsporczy, aby mogły być badane także krótkie odcinki kabli. Po 5 sekundach napięcie ładujące zostaje odłączone, a ładunki szczątkowe rozładowane poprzez łącznik 2 i dławik Dr. Następnie poprzez łącznik 3 dławik Dr zostaje połączony z obiektem badanym poprzez prostownik Gl1 i tym samym powoduje przełączenie na dodatnią połówkę przebiegu. W położeniu łącznika [4] przez 5 sekund utrzymane zostaje napięcie dodatnie.

Poprzez zamknięcie łącznika [5] rozpoczęte zostaje przełączenie na polaryzację ujemną. Energia pozostaje utrzymana, poza stratami przełączania oraz poborem mocy przez instrumenty pomiarowe. Nowy proces ładowania rozpoczyna się zamknięciem łącznika [1]. Kompletnie urządzenie probiercze VLF 0,1 Hz składa się z następujących elementów:

• urządzenie sterownicze i regulacyjne,
• generator ładujący,
• łącznik obrotowy ze zintegrowanym prostownikiem wysokonapięciowym,
• dławik i kondensator wsporczy.

Próby napięciowe nowych kabli należy wykonywać techniką probierczą VLF 0,1 Hz dla wszystkich typów kabli w zakresie napięcia Uo i w czasie trwania 30/60 minut, w zależności od typu badanej linii kablowej. Dodatkowe parametry nie powinny być wprowadzane. Dla kabli w eksploatacji i po usunięciu awarii należy stosować te same wartości napięcia (3 U_o), ale z ograniczeniem czasowym do 15 min (np. za pomocą zakładowych WT). Badanie powłoki kabli z tworzyw sztucznych należy wykonywać napięciem stałym o wartości 5 kV i czasie trwania 1 min od momentu ustabilizowania napięcia.

Diagnostyka bezinwazyjna z pomiarem wyładowań niezupełnych (WNZ) – próba napięciowa a diagnostyka

Dotychczas stosowany rodzaj badania izolacji głównej kabli średniego napięcia ograniczał się do wykonania okresowej próby wytrzymałości izolacji. Próba ta polegała na podaniu napięcia spolaryzowanego (test DC dla kabli papierowo-olejowych) lub napięcia wolnozmiennego VLF 0,1 Hz (Very Low Frequency 0.1 Hz cos² dla kabli polimerowych) w określonym czasie. Jeżeli w czasookresie badania izolacji (np. 60 min dla XLPE) nie doszło do zniszczenia badanej izolacji, całą badaną linię kablową traktowano jako element gotowy do załączenia, a tym samym do dalszej eksploatacji. W praktyce jednak rozdzielczość wyniku badania sprowadzającego się do określenia „wytrzymał/nie wytrzymał” jest mało satysfakcjonująca. Dlatego wprowadzone zostały już jakiś czas temu takie metody badania, aby uzyskać na tyle wysoką rozdzielczość wyniku pomiaru, aby o badanej linii powiedzieć możliwie jak najwięcej.

Rodzaje diagnostyki kabli

W Polsce, od lat siedemdziesiątych do 2000 roku, w praktyce była stosowana diagnostyka kabli średniego napięcia, która ograniczała się jedynie do metod uśredniających. Metody te pozwalały i nadal pozwalają na ocenę stanu technicznego kabli za pomocą średniego wyniku dla całej badanej linii kablowej. Niestety metody te nie dawały możliwości wskazania konkretnego miejsca osłabienia czy miejsca wady izolacji i nie były dalej rozwijane. Do tych metod są zaliczane:

• pomiar współczynnika stratności prądem 0,1 Hz lub 50 Hz, względnie pomiar współczynnika stratności przy wyższych częstotliwościach (tan delta),
• pomiar napięcia relaksacyjnego,
• pomiar prądu depolaryzacji,
• izotermiczna analiza prądu relaksacyjnego.

Najbardziej popularnymi metodami stosowanymi w Polsce do 2000 roku były systemy oparte na metodzie IRC i pomiarze napięcia relaksacyjnego. Łącznie eksploatowanych jest 9 systemów pomiarowych, które na przykładzie np. spółki dystrybucyjnej jednego z koncernów energetycznych pozwalają wykonywać badania odbiorcze jakości wykonanych prac inwestycyjnych przy budowie nowych linii kablowych SN z polietylenu usieciowanego. Natomiast pomiar tangensa delta nie jest już tak popularny.

W 2000 roku nastąpił przełom w technice diagnostycznej kabli, kiedy to wprowadzono znaną już w diagnostyce urządzeń elektrycznych metodę pomiaru wyładowań niezupełnych (WNZ). W porównaniu z urządzeniami dającymi wynik uśredniony (np. pomiar tan delta), nowoczesne urządzenia do pomiaru WNZ pozwalają wartościować każdy element składowy linii kablowej indywidualnie (kable, mufy, głowice), metr po metrze.

Pomiar WNZ

Przykładowy system pomiarowy do oceny stanu technicznego kabli za pomocą pomiaru WNZ może być zarówno systemem przenośnym, jak i systemem dobudowanym do istniejącego samochodu pomiarowego, stanowiąc jego cenną składową. System jednego z czołowych producentów tego typu systemów z Niemiec zapewnia użycie metody nieniszczącej (fala oscylacyjna wytworzona w procesie rezonansu szeregowego napięć), co całkowicie znosi ryzyko uszkodzenia kabla w procesie diagnostycznym. Należy zwrócić na ten fakt szczególną uwagę, gdyż na rynku można znaleźć inne systemy niszczące, oparte na pomiarze WNZ na długotrwałej próbie niszczącej DC lub VLF 0,1 Hz.

Badana linia kablowa zostaje przyłączona do zestawu diagnostycznego. Kabel jest ładowany wstępnie napięciem stałym przez okres około 30 ms tak, aby nie doszło do spolaryzowania napięcia. Następnie za pomocą łącznika IGBT badany obiekt jest łączony do cewki o stałej indukcyjności. W układzie tym powstaje napięciowa, rezonansowa, samogasnąca fala oscylacyjna. Częstotliwość fali napięciowej jest zależna od pojemności kabla. Odpowiednia norma VDE oraz IEC z późniejszymi uaktualnieniami określają, że badania te należy przeprowadzać przy częstotliwości 50 Hz lub zbliżonej do 50 Hz. W praktyce możliwe jest uzyskanie nawet częstotliwości sieciowej przy pojemnościach około 4 - 5 μF, a więc kabli bardzo długich. Typowa częstotliwość pomiaru to około 250 Hz, co oznacza, że częstotliwość ta jest średnio 5 razy większa od częstotliwości sieciowej. Porównując inne systemy oparte na długotrwałej próbie napięciowej, przy częstotliwości 0,1 lub 0,01 Hz, nie jest już ona częstotliwością zbliżoną, bo zawiera się w przedziale wartości pomiędzy 500 a 5000 razy niższej od częstotliwości sieciowej. Pomiar wyładowań niezupełnych w urządzeniu diagnostycznym rejestrowany jest na przedmiotowej fali oscylacyjnej przy każdym przejściu przez zero. Wraz z wygaszaniem się fali maleją też wyładowania niezupełne. Metoda ta nie jest zbudowana na próbie probierczej, inaczej mówiąc, badany kabel nie jest zasilany w sposób ciągły ze źródła napięcia, dlateg nie podlega normatywom prób probierczych. W przypadku systemów pomiarowych opartych na próbie probierczej podlegającej pod normatywy HD 620/621, użytkownicy zobowiązani są do wykonywania badań zgodnie z wytycznymi HD przy poziomie 3 Uo i czasie trwania odpowiednio 30 i 60 minut. Ryzyko zniszczenia procesem diagnostycznym jest tam niezmiernie wysokie, czego nie ma w opisywanym systemie diagnostycznym.

Przykład procedury diagnostycznej

Przykładowe badanie dotyczy dwóch strategicznych linii kablowych w branży wydobywczej nafty i gazu. Ma ono na celu wykazanie, czy stan dwóch nieuszkodzonych linii kablowych będących w eksploatacji od 1997 r. jest na tyle dobry, aby nagłe uszkodzenie kabla nie wpłynęło negatywnie na wydobycie tak cennych surowców. Badaniu poddano dwie linie kablowe XLPE 1×240 mm2 3×NA2HXY o długościach odpowiednio 9610 i 9620 m. Diagnostykę przeprowadzono dla każdej fazy indywidualnie, rejestrując wartość i ilość wyładowań niezupełnych na długości kabla. Na bazie otrzymanego wyniku pomiaru podjęto decyzję o wykonaniu kolejnego pomiaru dla tej linii kablowej, ale z drugiej strony.

Pomiar z drugiej strony wykazał powstawanie wyładowań niezupełnych w miejscu zarejestrowanym przy pierwszym pomiarze, elementem tym okazała się mufa łącząca dwa odcinki kabla. Pomiar taki jednoznacznie określa osłabienie izolacji lub wadę, np. zagniecenie izolacji (zmianę jej koncentryczności), będące wynikiem nacisku gruntu. Osłabienie izolacji w mufie oznaczałoby jej niefachowe lub niedbałe wykonanie, a każde przepięcie – powiększanie osłabienia i w rezultacie zniszczenie osprzętu kablowego.

Cel diagnostyki kabli

Szeroko pojęta diagnostyka kabli daje o wiele więcej informacji niż badanie wytrzymałości napięciowej izolacji. Praca z tak potężnym narzędziem, jakim jest system diagnostyczny do pomiaru WNZ, dzięki któremu możemy „zajrzeć” do wnętrza, bądź co bądź, kosztownego elementu systemu dystrybucyjnego energii, jest niezwykle satysfakcjonująca. Diagnostyka za pomocą pomiaru WNZ nie obciąża badanego kabla samym procesem pomiaru, tak jak to dzieje się przy systemach pomiarowych opartych na urządzeniach probierczych 0,1 Hz czy 0,01 Hz. Pomiar można wykonać bez ryzyka uszkodzenia następnego dnia, za tydzień, za miesiąc, mając świadomość, że samym procesem diagnostycznym nie zostanie zniszczona czy osłabiona badana izolacja. Inaczej jest przy próbie probierczej czy diagnostyce opartej na próbie probierczej, gdzie pomiar diagnostyczny nie jest i nie może być powtarzalny.

Badanie diagnostyczne pozwala skutecznie oceniać stan techniczny badanej linii kablowej z oceną ryzyka uszkodzenia i określeniem czasookresu jeszcze jej bezawaryjnej pracy. Bardzo ważne jest to, że kable z wykrytą wadą mogą dalej pracować, a personel zarządzający tym majątkiem może kolejne prace zaplanować. Do właściwej oceny stanu technicznego i oceny ryzyka awarii mogą być brane pod uwagę następujące dane pomiarowe:

• wartość WNZ przy poziomie U_o,
• koncentracja WNZ przy poziomie U_o,
• wartość WNZ przy poziomie 1.7 U_o (ryzyko pracy przy długotrwałym doziemienu jednej fazy),
• koncentracja WNZ przy poziomie 1.7 U_o,
• wartość WNZ przy poziomie 2 U_o, przekroczenie poziomu WNZ własnych,
• koncentracja WNZ przy poziomie 2 U_o,
• obserwacja rozwoju WNZ pomiędzy U_o a 2U_o.

Wybrane przykłady

Przykład 1.: branża wydobywcza nafty i gazu (2007), kabel XLPE 20 kV (fot. 5.)

Zarejestrowane problemy: problem z jakością montażu głowicy fazy L1, koncentracja wyładowań na głowicy, koncentracja wyładowań niezupełnych w odległości 3,2 m od głowicy również na fazie L1, koncentracja WNZ na mufie ok. 20 m od początku kabla.Badaniu poddano linię kablową SN 20 kV zbudowaną z trzech kabli jednofazowych. Badanie wykazało niską jakość montażu osprzętu. Zaistniał problem jakości montażu wykonanego przez człowieka: źle wykonana głowica fazy L1; zbyt mocno zaciśnięta taśma stalowa mocująca kabel na słupie; taśma na 6,1 m zaciśnięta prawidłowo; źle wykonana mufa na 20 metrze; głowice z drugiej strony wykonane prawidłowo; izolacja kabla w porządku. Wniosek: wysokie ryzyko awarii.

Przykład 2.: przemysł wytwórczy cementu (2006), kabel PAP/OIL 6 kV (fot. 7.)

Zarejestrowane problemy: problem z mufą i izolacją kablową na fazie L1. Badaniu poddano linię kablową SN 6 kV zbudowaną z jednego 3-fazowego kabla w izolacji papierowo-olejowej. Badanie wykazało problem w postaci źle zainstalowanej mufy i problem w izolacji na fazie L1 w postaci zniekształcenia izolacji (prawdopodobnie przez zagniecenie oplotu i zmianę koncentryczności). Ponieważ WNZ nie występują przy Uo, ryzyko awarii oceniono jako średnie.

Przykład 3.: branża wydobywcza węgla kamiennego (2007), kabel PVC 6 kV (fot. 8.)

Zarejestrowane problemy: problem z izolacją kablową. Kumulacja WNZ w jednym miejscu.Badaniu poddano linię kablową SN 6 kV zbudowaną z jednego kabla 3-fazowego w izolacji z PVC. Badanie wykazało tylko jedno osłabione miejsce w izolacji, które zostało ocenione jako wada i potencjalne miejsce uszkodzenia izolacji w przyszłości. Wyeliminowanie tylko jednego zaistniałego osłabienia izolacji pozwoli eksploatować kabel w grupie o wiele mniejszego ryzyka niż w dniu wykonania pomiaru. Oceniono, że ryzyko awarii jest wysokie. W przypadku obiektów górniczych, gdzie kable zasilają ważne procesy technologiczne lub pewność zasilania może mieć wpływ na bezpieczeństwo pracowników, należałoby wyeliminować wadę za pomocą próby napięciowej, w celu zniszczenia izolacji w miejscu wady. Doraźne, zdecydowane działanie mogłoby doprowadzić do uniknięcia nagłej awarii i wyeliminować całkowicie ryzyko uszkodzenia kabla w przyszłości.

Przykład 4.: spółka dystrybucyjna (2006), kabel PAP/OIL 15 kV (fot. 9.)

Zarejestrowane problemy: kabel wyeksploatowany równomiernie. Badaniu poddano linię kablową 15 kV zbudowaną z kabla 3-fazowego w izolacji papierowo-olejowej. Pomiar wykazał równomierne wyeksploatowanie izolacji kablowej, co jest podstawą do podjęcia decyzji o całkowitej wymianie kabla. Ponieważ poziom WNZ własnych nie został znacząco przekroczony, zaproponowano właścicielowi, aby zaplanował i zrealizował w ciągu jednego roku wymianę całej badanej linii kablowej.

Wnioski

Prawidłowa eksploatacja rozległych sieci kablowych powinna być prowadzona rzetelnie, przez przygotowane do tego celu osoby, wykorzystujące odpowiedni sprzęt techniczny. Dla właścicieli majątku związanego z kablami niezwykle istotne jest także gromadzenie danych o kablach, informacji na temat wykonywania prób napięciowych, a zwłaszcza wyników ich diagnostyki, w tym również diagnostyki bezinwazyjnej z pomiarem wyładowań niezupełnych (WNZ). Ma to na celu ograniczenie liczby awarii i nieplanowanych wyłączeń, bezprzerwowe zasilanie urządzeń technologicznych i zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych do niezbędnego minimum.

Literatura

1. E. Jakle, Gotowość kabli do załączenia według VGB-4, 1997.
2. E. Jakle, Nowoczesne metody probiercze kabli według VDE, 1996.
3. Dokument harmonizujący HD 640.
4. H. Mościcka-Grzesiak, Inżynieria Wysokich Napięć w Elektroenergetyce, t. I, Poznań 1996 r.
5. Mat. konf. „KABEL 1999”.
6. Mat. konf. „KABEL 2000”.
7. Mat. konf. „Energetyka XXI wieku”, Stare Jabłonki 1997.
8. Ramowa Instrukcja Eksploatacji RIE 041, Instytut Energetyki, Warszawa 1991.
9. OWTS PD-Analysis, Model to simulate partial discharges, praca zbiorowa, SEBA KMT 2002.
10. VDE 0276:1001 Badania odbiorcze kabli na napięcie 6/10.....18/30 z izolacją PE, XLPE i papierowo-olejową.
11. W materiale wykorzystano wyniki badań wykonane systemem diagnostycznym do kabli w latach 2000 - 2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!